JP4836801B2 - レーザ誘導式の調整穴穿孔 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は一般に、調整穴の穿孔に関し、より特定的には、航空機または船舶用に建造されかつ組立てられたもの等の大きな製造部品の調整穴の穿孔に関する。

発明の背景
大きなコンポーネント部品を用いた建設時、たとえば航空機の建設時または造船の際に行なわれなければならない１つの作業が、これらの大きな部品のさまざまな位置に穴を穿孔することである。このような穴は、調整穴と呼ばれ得る。なぜなら、これらの穴が、部品上で測定された調整位置に位置付けられるためである。その後、これらの調整穴を用いて、たとえば締結装置を通すことにより、対応する調整穴を有する別の部品に部品を取付けて複数の部品をつなぎ合わせる。同一部品が複製されるたびに、調整穴は、測定されて同じ位置に穿孔されなければならず、しばしば、精密な測定と穿孔の精度とを必要とする。

大きな部品に調整穴を穿孔するための精度を得る現在の方法は、大きくかつ制御された環境における巨大な土台上の大きな数値制御機械の使用を伴う。穿孔の精度および剛性を得るために、巨大な土台が必要とされる。大きな数値制御機械は、５軸で作動して、部品に形成されるべき穴の適切な位置付けおよび配向を行なう。また、これらの機械は、高価であり、設置が難しく、容易に動かされず、変更が難しい。加えて、機械の重量および大きな作業環境が、穿孔の精度を下げる。実際に、大きな部品に調整穴を穿孔する現在の方法には柔軟性がない。

加えて、巨大な土台上の大きな数値制御機械を用いることにより調整穴を穿孔する現在の方法は、より高水準の組立品、たとえばウイングボックスおよび組立構造に調整穴を穿孔するのに適さない。なぜなら、１つには、この機械がより小さな凹部または内側の凹部に接近し得ないためである。大きな部品の多くの種類は、調整穴を生じるために穿孔されなければならない。多くの異なる部品に対して大きな数値制御機械を構成および適合させることは、時間がかかり、労働集約的であり、巨大な土台上の大きな数値制御機械の使用は、多種類の部品への調整穴の穿孔に対する実現性のない解決策となってしまう。携帯型穿孔装置の柔軟性を提供しつつ、調整穴を含む穴を大きな部品に正確に穿孔する方法、システム、および装置が必要とされる。加えて、検査、製造、および工程間の測定を、穿孔装置を備える１つのシステムへと組合せる追跡レーザシステムが必要とされる。

発明の概要
レーザ誘導式調整穴穿孔装置を提供する。この発明の或る有利な実施例のレーザ誘導式調整穴穿孔装置は、携帯型であって大きな土台または巨大な土台を必要とせず、手動、半自動、または自動であり得る。この発明の一実施例のレーザ誘導式調整穴穿孔装置は、少なくとも１つの平面、一般にはｘ−ｙ平面上での移動が可能な位置決めテーブルと、ターゲットブシュおよびドリルブシュを受けるためのブシュ空隙と、穴が穿孔される部品に位置決めテーブルを固定するための締付け具、一般にはねじクランプまたは真空カップと、位置決めテーブル上において、一般にはブシュ空隙に近接するか、またはブシュ空隙内に引込めて取付けられたターゲットブシュ内にあり、レーザトラッカが位置決めテーブルおよびブシュ空隙の場所を特定することを可能にするためのレーザターゲットとを含む。

この発明の一実施例のｘ−ｙ位置決めテーブルは、ｘ軸およびｙ軸方向への移動用に手動のねじ調節部か、または、ｘ軸およびｙ軸方向への移動用にサーボモータ等の自動モータを含み得る。この発明の一実施例に対するレーザターゲットは、オープンエア型コーナーキューブ光学ターゲットまたは他の逆反射体であってよい。この発明のレーザ誘導式調整穴穿孔装置の一実施例は、穴が穿孔される部品に位置決めテーブルを堅固に取付けるための２段階同軸真空カップを含み得る。この発明のレーザ誘導式調整穴穿孔装置の別の実施例は、位置決めテーブルが、当該位置決めテーブルに搭載されたドリルモータに対する或る角度で穴を穿孔し得るように設計され得る。代替的に、この発明の一実施例の位置決めテーブルは、デュアル回転非同軸位置決めテーブルであり得る。

レーザ誘導式調整穴穿孔装置の別の実施例は、部品上の不適切な位置における穿孔を防止するためのソフトウェアインターロック装置を含み得る。ソフトウェアインターロック装置は、機構を作動させて、ドリルまたはドリルブシュがブシュ空隙内に挿入されることを防止し得る、たとえば、ピンをブシュ空隙に貫通させる。ソフトウェアインターロック装置はまた、ドリルモータに接続されて、レーザ誘導式調整穴穿孔装置が調整穴の穿孔にとって適切な位置に配置されていないときのドリルの作動を防止し得る。

調整穴を穿孔する方法を提供する。この発明の一実施例の、調整穴を穿孔する方法は、穿孔されるべき部品についての基準座標系を確立するために、レーザトラッカで当該部品を探査するステップと、レーザトラッカに対する部品の基準座標系を決定するステップと、レーザを用いて、穿孔されるべき穴の位置を目立たせて、部品に穿孔される穴の付近においてレーザ誘導式調整穴工具を部品に堅固に取付けるステップと、レーザトラッカでレーザ誘導式調整穴工具上のレーザターゲットを探査して、レーザ誘導式調整穴工具についての基準座標系を確立するステップと、レーザトラッカおよび部品に対する、レーザ誘導式調整穴工具についての基準座標系を決定するステップと、レーザ誘導式調整穴工具内に回転可能に固定されたドリルブシュを穴の位置に近接して位置決めするステップと、一般にはドリルビットまたは他の切削工具もしくはミリング工具を用いてドリルブシュを介して穴を穿孔するステップとを含む。

この発明の調整穴を穿孔するための方法の一実施例において、レーザターゲットを探査するステップと、レーザ誘導式調整穴の基準座標系を決定するステップとは、自動的に実行され得る。別の実施例において、ドリルブシュを穴の位置に近接して位置決めするステップは、手動で、半自動で、または自動で実行され得る。この発明の調整穴を穿孔するための方法の一実施例において、ドリルブシュを穴の位置に近接して位置決めするステップは、穴の位置からの法線ベクトルとの交点にドリルブシュを位置付けることにより、または、ドリルブシュからのベクトルが穴の位置の部品の表面に直角な穴の位置と交差するようにドリルブシュを位置付けることにより、実行され得る。

調整穴を穿孔するためのシステムを提供する。この発明の一実施例の調整穴を穿孔するためのシステムは、レーザ誘導式調整穴穿孔装置と、レーザ誘導式調整穴穿孔装置の位置決めテーブルのドリルブシュ空隙内に取外し可能にかつ回転可能に固定されたドリルブシュと、ドリルブシュを通って延びる工具と、ドリルブシュを介して穿孔するために工具に取付けられたドリルモータと、レーザ誘導式調整穴穿孔装置上のレーザターゲットに光学的に接続されたレーザトラッカと、レーザトラッカに相互作動可能に接続されたプロセッサと、プロセッサ上で稼働する調整穴穿孔ソフトウェアプログラムとを含む。

この発明の調整穴を穿孔するためのシステムの一実施例は、レーザトラッカに相互作動可能に接続されたソフトウェアプログラムの移動監視ルーチン、および／または、穿孔装置、ドリルブシュ、またはドリルモータに相互作動可能に接続されたソフトウェアインターロックルーチンを含み得る。ソフトウェアプログラムのこれらのサブルーチンは、不適切な位置における穴の偶発的な穿孔を防止し得る。

この発明の実施例は、多数の種類の部品上に、ならびに、さまざまな形状およびサイズの部品上に調整穴を機械切削するのにより適する。この発明の穿孔装置のサイズは、その部品が大きな数値制御機械に再配向された場合でも、その大きな数値制御機械による機械切削が困難であるかまたは不可能な位置において、部品に調整穴を穿孔または機械切削する柔軟性を提供する。この発明の実施例はさらに、２つ以上の機械切削動作が部品に対して一度に実行される並列穿孔の機能を提供する。また、この発明の穿孔装置のサイズにより、穿孔の精度を下げ得、かつ、大きな数値制御機械を必要とする大きな作業環境が必要ではなくなる。

一般的な用語でこのように本発明を説明してきたので、次に、添付の図面を参照する。これらの図面は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。

発明の詳細な説明
次に、この発明の好ましい実施例が示されている添付の図面を参照して、本発明をより十分に説明する。しかしながら、この発明は、多くの異なる形態で実現され得、この明細書に明示する実施例に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示内容が完璧かつ完全であるように、そして、この発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。全体にわたり、同じ番号は同じ要素を指す。

この発明の一実施例の、調整穴穿孔装置、調整穴を穿孔する方法、および調整穴を穿孔するためのシステムは、穿孔という用語、およびその派生語を用いて説明される。穿孔は、以下のものに限定されないが、従来の穿孔、ヘリカルミリング、ポケット形成（pocketing）、傾斜付け、縦削り、肩加工、および他の切削またはミリング工程を含む、他の形態の切削またはミリングを含むことが意図される。穿孔の適用例および他の穿孔用品は、他の工具を備えた切削の適用例、および関連する仕上げ加工（tooling）用品を含む。同様に、穴という用語は、切削工具またはミリング工具により形成される凹部を含む。この語彙は、この発明を記載および説明するための簡便な手段として選択されており、この発明を従来の穿孔に限定することを意図しない。当業者は、別の切削工具またはミリング工具ではなくドリルビットが使用される場合等の従来の穿孔の説明を認識し、それでもなお、ドリルビットが適切な工具の一例であることを理解するであろう。

この発明の主な使途は、航空機の建造および組立の分野にあるが、以下の説明から、この発明が、たとえば造船、自動車の製造、建築物の建造等を含む多くの種類の建造および組立にも有用であることが認識されるであろう。

図１は、この発明の第１の実施例の調整穴穿孔装置の斜視図である。この調整穴穿孔装置は、調整穴工具またはレーザドリル治具とも呼ばれ得る。この発明の一実施例の穿孔装置１０は、ｘ−ｙ位置決めプラットフォームまたはテーブル１２を含む。位置決めプラットフォーム１２は、当該プラットフォームの土台部分１４が静止したままで、当該プラットフォームの可動部分１３が１つ以上の軸に沿って移動することを可能にする。ｘ−ｙ位置決めプラットフォームは、直交軸、すなわちｘ軸およびｙ軸に沿った移動を提供する。この発明の穿孔装置１０に対する位置決めプラットフォームの可動部分１３は、レーザターゲット３２を保持するためのブシュを受容するか、または異なるサイズの工具を受けるための、少なくともブシュ空隙３０を規定する。

位置決めプラットフォーム１２は、脚部または足部２４により支持され得、これらの脚
部または足部２４の上で、穿孔装置１０は部品に接して静止し得る。一般に、位置決めプラットフォーム１２は、その上で穿孔装置１０が静止する部品表面の平面に対してほぼ平行な平面上にある。位置決めプラットフォーム１２は一般に、穿孔軸に対して垂直な平面上にあり、それにより、位置決めプラットフォーム１２が平行な表面の適用例において穴を穿孔するための部品表面に対して直角になるようにする。締付け具、たとえばねじクランプまたは真空カップを用いて、穿孔装置を部品に固定する。図１に示す実施例において、２つの真空カップ２０、２２は、位置決めプラットフォーム１２の土台部分１４の底部側において、これらの真空カップが部品に接触するような態様で位置付けられ、部品上で穿孔装置１０は、足部２４が部品に接して静止するのとほぼ同じ平面上に静止する。これらの真空カップ２０、２２は、真空発生装置に取り付けられた空気供給線３６およびスイッチ３８に係合されて、穿孔装置１０を部品に固定することができる。

ブシュ空隙３０の位置を変更するために、異なる軸方向の移動を求めて位置決めプラットフォーム１２に調節が行なわれる。図１の実施例に示すように、手動ねじ調節部１６、１７、１８、１９は、ｘ軸またはｙ軸に沿ってブシュ空隙３０を別個に並進移動させることができる。図１はまた、レーザトラッカが位置決めテーブルの基準座標系を決定するための、かつ、所望の調整穴に対して位置決めテーブル内にブシュ空隙を位置決めするための、例示的なレーザトラッカの照準線（line-of-sight)３９を示す。

図２は、図１の１つの調整穴穿孔装置１０の分解斜視図である。図２の分解図は、この発明の穿孔装置が建造され得る態様の一例を提供するが、この発明の穿孔装置は、あらゆる数の適用例に適するように、さまざまな態様で建造されてよい。この例において、手動ねじ調節部１６、１７、１８、１９は、位置決めプラットフォームの固定可能な土台１４と、位置決めプラットフォームの可動部分１３との間に位置決めされる。２つの真空カップ２０、２２および４つの脚部２４、２５、２６、２７は、位置決めプラットフォーム１２の底部に固定されるが、この装置は、どのような数の真空カップおよび脚部を含んでもよい。レーザターゲット３２は、一般にブシュ空隙の位置に位置付けられるが、位置決めプラットフォームの可動部分１３上の任意の予め規定された場所に搭載されてよい。レーザターゲット３２は、位置決めプラットフォームの可動部分１３上の基準位置を提供し、この基準位置から、ブシュ空隙３０のｘ軸およびｙ軸の場所が、以下に説明するように決定され得る。レーザターゲット３２は、レーザトラッカと共に使用するための任意の種類の適切な反射機器であってよく、たとえば、０．５インチ径の逆反射体ターゲットまたは１．５インチのオープンエア型コーナーキューブ光学ターゲットであり得る。位置決めプラットフォームの可動部分１３のブシュ空隙３０は、レーザターゲットを保持し得るブシュを受容するか、または、穿孔装置１０を用いて穴を穿孔するための工具を受けるように設計される。ブシュは、止めねじか、ピンか、またはブシュを固定する他の任意の方法を用いて、穿孔装置に固定され得る。ドリルのビット径よりも０．０００５から０．００１インチ大きな変形ドリルブシュをレーザ誘導式調整穴穿孔装置と共に使用して、このドリルブシュを穿孔装置のブシュ空隙内に固定することができるが、他の相対径を使用してもよい。ドリルブシュは、さらなる長さ用に変更されて、部品の表面に穿孔するための工具の配向およびアライメントを改善することができ、ドリルブシュが位置決めテーブルの一部からの、または一部を通った円筒形の延長部である場合等、ドリルブシュが位置決めテーブルの厚さよりも長い実施例を含む。

位置決めプラットフォーム１２は、手動で、半自動で、または自動で調節され得る。図１および図２に示す実施例は、位置決めプラットフォーム１２に対して手動マイクロメータのねじ調節部１６、１７、１８、１９を使用する。図３のこの発明の第２の実施例の調整穴穿孔装置４０の斜視図では、自動位置決めプラットフォーム４２が示される。この第２の実施例の穿孔装置は、位置決めプラットフォームのｘ軸およびｙ軸を調節するための自動サーボモータ４７、４９を含む。図３に示すこの発明の調整穴穿孔装置４０の実施例
はまた、その上で穿孔装置４０が部品に接して静止する平面に対して直角に配向されたドリルビット４５と一直線上に位置決めプラットフォームに搭載される自動ドリルモータ４４も含む。これらの自動サーボモータ４７、４９およびドリルモータ４４は、通信ケーブル４６を介してコンピュータまたは他のコントローラからの指令により制御されるが、無線通信を使用してもよい。図３の実施例の穿孔装置は、穿孔が始まる前に位置決めプラットフォームのブシュまたはブシュ空隙から取外す必要のない、据付式レーザターゲット５２を含む。この発明の穿孔装置と共に据付式レーザターゲットを使用するために、システムは、ドリルブシュからのターゲットのオフセットに対して較正されなければならない。同様の据付式ターゲット２０５が、図１２の９０度ドリルモータの実施例と共に使用される。

図４は、この発明の第３の実施例の調整穴穿孔装置６０の斜視図である。図４に示す実施例は、部品に穿孔装置６０を堅固に取付けるためのねじクランプ６６、６８を含む、この発明の調整穴穿孔装置の一例である。

図５は、図１および図２の調整穴穿孔装置１０の真空カップ２０、２２を示す概略図である。真空カップは、この発明の穿孔プラットフォームが重力の引力に逆らっても、たとえば穿孔が上下逆になっても、部品上に容易に位置決めされ得るようにする。この実施例の真空カップ２０、２２は、部品の表面に位置決めテーブルを堅固に取付けるための２段階同軸真空カップである。２段階の真空カップは、位置決め用の低真空と、穿孔中にさらなる安定性を提供するための高真空とを提供する。しかしながら、図４に示す第３の実施例におけるねじクランプ６６、６８によって例示されるように、穿孔用に部品の表面に調整穴穿孔装置を堅固に取付け得る任意の種類の締付け具が、この発明の穿孔装置と共に使用されてよい。

図６は、この発明の第４の実施例の調整穴穿孔装置７０の斜視図である。図６に示す実施例は、この発明の穿孔装置のよりコンパクトなバージョンである。この実施例は、この発明の穿孔装置を作成するためのさまざまな設計の可能性の、単にもう１つの例である。この穿孔装置は一般に、意図される使途および適用例に基づいて設計される。たとえば、より小さな穴を精巧に穿孔するために、または、複数の大きな穴を穿孔するために穿孔装置を繰返し移動させるために、より小さな機器がより実用的であることが考えられる。反対に、より多くの力を必要とするか、または、より少ない数の穴の穿孔を必要とする穿孔の適用例に対しては、より大きな穿孔プラットフォームが有益であることが考えられる。適用例に関係なく、この発明の穿孔装置は、精密な穴の穿孔に対して適切な硬度、剛性、および精度を提供するように設計され得、かつ、適切な材料、たとえば花崗岩、炭化タングステン、通し焼入れを施した高炭素鋼、アルミニウム、合成物、または、特定の適用例に必要とされる穿孔の精度を提供する他の金属もしくは材料で形成され得る。

図７は、この発明の一実施例の調整穴穿孔方法のフロー図である。レーザトラッカについての基準座標系は、８０において確立されなければならない。当業者に公知であるように、この工程は、レーザトラッカの場所を定点に決定するか、または、レーザトラッカ自体を主基準座標系に使用する等のさまざまな方法で行なわれ得る。８２において、レーザトラッカを用いて、穿孔されるべき部品の測定または探査を行ない、８４において部品の基準座標系を決定する。このことは、部品の縁部、割出し穴、表面等の部品上の位置に対する重要な特徴を割出しすることにより、または他の仕上げ加工位置決め装置により、行なわれ得る。部品の位置は、各位置において光学ターゲットを使用するレーザトラッカにより測定され得る。

部品の基準座標系は、当該技術で公知のさまざまな方法で、８２において測定または探査され得る。同様に、当業者は、レーザトラッカ、および必要とされる場合はレーザター
ゲットを用いて、部品または位置決めテーブルの基準座標系を測定するのに必要とされる適切な方法および器具を選択することができる。使用されることが考えられる方法は、穿孔される部品の種類、サイズ、もしくは形状等の因子か、または穿孔方法に依存して選択される。一例として、部品の基準座標系は、３点法を用いて測定され得る。３点法は、最小の数の点を用いて、レーザトラッカに対する部品の変形を求める。第１の点は０の位置を規定し、第２の点はｙ軸に沿った位置を規定し、第３の点はｘ−ｙ平面とｚ軸に沿った位置とに対する基準を確立する。第３の点は、第３の直交軸を確立するために直線からオフセットしていなければならず、一般に第３の点は、直線からできるだけ遠くに配置されるか、または、測定されている部品を最もよく表わす距離において位置付けられて、部品の基準座標系の測定の精度を高める。

部品の基準座標系を測定するための別の方法が、ｎ点法である。ｎ点法は、３点よりも多い最小二乗近似である。この方法は、穿孔される部品の再割出し、または、工具上に公知の部品を位置付けるのに優れている。

部品の基準を測定する他の方法は、部品がどのように組合されるかを示す部品の重要な特徴に対する基準点の獲得を含む。平面、線、および穴を組合せて用いて、部品の全自由度を規定することができる。

８２において部品が一旦測定または探査されて、８４において部品の基準座標系の決定が見込まれると、レーザトラッカは、８８において、部品に穿孔されるべき調整穴のための位置を指すことができる。レーザトラッカは一般に、部品の基準座標系に関して予め規定された入射レーザの位置により、コンピュータ制御される。オペレータは、この発明の穿孔装置を部品上に配置し、それにより、ブシュ空隙が、９０において穴が穿孔される部品上にほぼ位置付けられるようにする。この位置において、レーザ誘導式調整穴穿孔装置は、たとえば９３においてねじクランプを使用し、９４において真空カップを使用してドリルのプラットフォームを部品に固定することにより、９２において部品に堅固に取付けられる。

穿孔装置上のレーザターゲットを使用することにより、レーザトラッカは、９６においいてドリルのプラットフォームについての基準座標系を確立する。次に、この発明の穿孔装置の位置決めプラットフォームは、９８において穴の位置の上でブシュ空隙の場所を微調整するように調節される。このことは、９７においてマイクロメータのねじ調節部を用いることにより手動で、９９においてサーボモータおよび９７において手動のねじ調節部を用いることにより半自動で、または、９９においてサーボモータを用いることにより自動で、行なわれ得る。穴の位置の上でブシュ空隙をこのように正確に位置決めすることは、多数の測定方法および計算方法において達成され得る。一例として、図９は、この発明の一実施例の調整穴穿孔方法と共に使用され得る２表面法線法（two surface normal method）を提供する。穿孔装置の基準座標系が一旦確立されると、内部レーザを用いて、位置決めプラットフォームの以降の移動を制御することができる。一般に穿孔工具の先端付近のターゲットを指す内部レーザは、外部レーザのトラッカがターゲットを効果的に追跡し続けることを穿孔の適用例が妨げ得る場合、たとえば、穿孔から生じる破片が外部レーザを遮断するか、または、機械が外部レーザのトラッカの照準線の外で回転する場合に、特に有用である。しかしながら、内部レーザのトラッカは、この適用例によりさらなる精度を得るためのみに使用されており、レーザ追跡は、外部レーザのトラッカを指す。ブシュ空隙が９８において穴の位置の上に正確に一旦位置決めされると、ドリルブシュまたは工具のブシュは、ブシュ空隙内に回転可能に固定され得、このブシュを介して、１０８において部品内に穴が穿孔され得る。

１０８の穿孔工程の間にレーザトラッカを用いて、穿孔されている調整穴の精密度を下
げるおそれのある、１０５における部品の移動、または１６７における穿孔プラットフォームの移動がないか、１００において監視が行なわれ得る。１０１において移動が検出された場合、オペレータは、通知を受けることができ、および／または穿孔が自動的に中止され得る。この種の工程間の監視および制御により、オペレータは、何かが破損したかどうか、または穿孔動作に何か問題が生じたかどうかを直ちに認識することができる。

１０８において穴が一旦穿孔されると、オペレータは、１０９において部品から穿孔プラットフォームを緩めることができる。この時点で、レーザトラッカは、１１０において穿孔プラットフォームの移動を認識し、次の穴が穿孔される準備が整ったことを理解する。次の穴の位置に対するオペレータの準備が整ったことをレーザトラッカが一旦認識すると、レーザトラッカは、穿孔されるべき次の穴の位置を指し、８６において穿孔のサイクルが再開する。穿孔装置が自動送りドリルモータにより自動化されている場合、この自動式穿孔モータが穴の穿孔を完了するとすぐに、レーザトラッカは、穿孔されるべき次の穴を自動的に指すことができる。また、オペレータは、レーザトラッカが次の穴の位置に移動すべきであることを示す入力を与えることができ、または、たとえばターゲットが指定された時間にわたり、穿孔される場所の許容範囲を維持すると、次の穴の位置を自動的に指すことができる。

図８Ａ〜図８Ｄは、この発明の調整穴穿孔装置を正確に位置決めするための画像表示装置の実施例の実体図を示す。穿孔装置が完全自動式の位置決めプラットフォームを有さない場合、オペレータは、穴の位置の上にブシュ空隙を位置決めすることが要求され得る。位置決めプラットフォームが手動または半自動である場合、オペレータは、所望の穴の位置に対してブシュ空隙の位置を微調整することができる。位置決めプラットフォームがどこに調節されるべきかを穿孔のオペレータに指示するために、コンピュータ表示装置を用いて、位置決めプラットフォームの現在の位置をオペレータに表示することができ、または代替的に、位置決めプラットフォームに対する必要な調節をオペレータに表示することができる。この指示は、位置決めプラットフォームを移動させなければならない方向をオペレータが見ることのできる画像表示装置を用いて行なわれ得る。図８Ａ〜図８Ｄに示す表示装置は、対数測定システムの例であり、この対数測定システムは、オペレータに対して位置決めプラットフォームをどの方向に移動させるべきかを示し、ブシュ空隙を正確に位置決めするのに必要とされる移動範囲を補正する。対数目盛を用いることにより、画像表示装置は、大きな度数で行なわれなければならない初期の調節と、位置決めルーチンの終了時に行なわれる微細な調節とを補正することができる。要求される調節が粗いものから細かいものへと減少するにつれ、表示装置は、感度の向上を画像表示することができ、結果的に得られ、かつ、さらに必要とされる微調整を画像で認識する能力をオペレータに提供する。当業者は、位置決めプラットフォームに対する調節に関して、画像による手掛かりをオペレータに提供するために他の方法が利用可能であることを認識するであろう。ブシュ空隙が一旦正確に位置決めされると、位置決めプラットフォームが穴の穿孔に使用される準備が整ったことをオペレータが認識し得る態様で、表示装置が変化し得る。

さまざまな測定および位置決めの方法を用いて、ブシュ空隙を穴の位置に近接して正確に位置付けることができる。図９は、この発明の調整穴穿孔装置を位置決めする位置を決定するための２つの技術の概略図である。第１の例は、表面法線法１２０であり、穴の位置において部品の表面から法線ベクトルを投影する。ここで、当該ベクトルの方向は、当該表面に対して直角であり、かつ、当該表面から外方向を指す。この発明の穿孔装置は次に、穴からの法線表面ベクトルとの交点にレーザターゲットが配向される状態で位置決めされ得る。穴の位置の上にブシュ空隙を位置決めするためのこの技術は、適用例が位置決めプラットフォームのｘ−ｙ平面に平行な部品の表面を含むときに、特に有用である。この技術は、位置決めプラットフォームを配向するための手動の精密ねじと共に良好に作用することが多く、通常、位置決めプラットフォームおよび／または自動穿孔ユニットを制
御するための自動サーボモータを備えた穿孔プラットフォームほど複雑ではない、より軽量かつ小型の穿孔装置を生じる。

穴の位置の上にブシュ空隙を位置決めするための第２の例示的な技術は、計算表面法線法（calculated surface normal method）または装置ベクトル法（apparatus vector method）１２２において実現される。この方法では、ブシュ空隙から部品の表面まで計算されたベクトルが、穴の位置決め装置において、部品の表面に対して直交する穴の位置と交差するまで、位置決めプラットフォームを移動させる。この方法は、穿孔装置の基準座標系が確立されること、一般には、位置決めプラットフォームの直交基準座標系を確立する場所まで位置決めプラットフォームを移動させることによって基準座標系が決定されることを必要とし、このことは、部品に対する穿孔装置の基準座標系を確立する。基準座標系が一旦決定されると、ブシュ空隙の位置から部品との交点まで架空の法線ベクトルを下に投影する。次にレーザトラッカを用いて、穴が部品上に穿孔される位置とベクトルとを交差させるような態様で、位置決めプラットフォームの移動を補正する。この方法は、穿孔装置の基準座標系を確立するための直交位置が自動的に確立され得るように自動式サーボモータが位置決めプラットフォームと共に使用され、次に、位置決めプラットフォームがその同じ自動サーボモータにより移動され得る際に、単純化される。しかしながら、穴の位置の上にブシュ空隙を位置決めするための他の技術を用いてもよい。

図１０は、この発明の一実施例の調整穴穿孔システム１３０の実体図である。図１０に示す実施例は、この発明の穿孔装置１３２と、レーザトラッカ１３４と、手動ドリル１３６との間の相互作用を示す。一般にプロセッサ１４２、メモリ１４４、およびソフトウェアプログラム１４６を備えたコントローラまたはコンピュータシステム１４０は、レーザ誘導式調整穴穿孔装置１３２の位置決めプラットフォーム１５１上に取付けられたレーザターゲット１５０を認識するレーザトラッカ１３４を制御する。別個に示されているが、コンピュータソフトウェアプログラム１４６は、メモリ１４４内に記憶されてよく、コントローラによってアクセスされてレーザトラッカ１３４の動作を制御することができる。レーザトラッカ１３４が実行することのできるいくつかの活動には、穿孔されるべき部品の測定または探査、穴が穿孔されるべき位置を指すこと、位置決めプラットフォームの基準座標系のための測定、位置決めプラットフォームが穴の位置と正確に一直線上になるようにブシュまたはブシュ空隙を配向する補助、ならびに、精密な穴の穿孔を妨げ得る動きを求めて、穿孔工程中に穿孔装置および部品を監視することが含まれる。これらの各々は、１つのソフトウェアプログラムのそれぞれの経路により方向付けられ得る。

電気または空気圧のいずれかにより作動することが考えられる手持ち式ドリル等の携帯型ドリル１３６は一般に、ブシュ空隙内において位置決めプラットフォームに固定されたドリルブシュを介して穴を穿孔するために使用される。穿孔装置の位置決めプラットフォームの配向およびアライメントは、ドリルモータ内に固定されたドリルおよび工具が調整穴を正確に穿孔し得るように意図される。この穿孔工程は、画像モニタまたは表示装置１４８により補助されて、調整穴の穿孔中にオペレータを補助し得る。モニタ１４８は、オペレータの付近に位置決めされたヘッドアップ表示装置、陰極線管、もしくは液晶表示装置か、穿孔装置上の視認可能な位置に搭載された遠隔表示装置か、部品上に投影された表示か、または、調整穴穿孔システムについての画像情報をオペレータが見ることを可能にする他の任意の画像モニタまたは表示技術であり得る。一般には、コンピュータモニタがレーザトラッカの付近に位置付けられて、画像による手掛かりをオペレータに表示する。表示装置１４８は、必要とされる精密度に依存してオペレータが必要な調節を行なうことを補助する、視覚的な対数画像を提示することにより、ブシュ空隙の位置を手動で微調整する能力をオペレータに提供することができる。対数表示の例示的な実施例を図８に示す。他の種類の画像情報を設計して、視覚的な対数画像により提供される同種の情報をオペレータに提供することができる。

調整穴を穿孔するためのシステムと共に使用され得るレーザトラッカの一例は、レーザトラッカに対するターゲットの移動を追跡するための干渉計と、一般には７５０メガヘルツ（ＭＨｚ）と９２０ＭＨｚとの間の変調信号により７２０ナノメートルで作動する赤外線レーザダイオードを含む絶対距離計（ＡＤＭ）とを用いて６３２ナノメートルで作動するヘリウムネオンレーザである。レーザトラッカに含まれる絶対距離計は、干渉計のビームの破損を考慮するように意図される。絶対距離計は、干渉計のビームが破損したときに、ターゲットを再び獲得する。このようなレーザトラッカは、レーザトラッカからターゲットまで、７９インチの最小距離を必要とすることが考えられ、約１３１フィートの範囲を有する。この範囲にわたり、レーザトラッカは、３シグマで０．００００４インチの解像度と、０．００２インチの精度とを有し得る。ターゲットが例示的なレーザトラッカにより獲得されると、レーザトラッカは、視認可能な態様でターゲットにセンタリングし、絶対距離計を用いた精密な距離の測定値を提供する。

図１１は、この発明の一実施例の調整穴穿孔システム１６０の概略図である。この実施例は、図１０に示す実施例と同様であるが、図１１の実施例が、コンピュータ１７０とｘ−ｙプラットフォーム１８０との間に通信指令１７６を示しており、位置決めプラットフォームが位置決め指令１７６を必要とするサーボモータを用いて自動化され得るという可能性を示す点が異なる。この例示的な実施例はまた、システムの或る部品から別の部品への情報の流れの方向も示す。たとえば、レーザトラッカは、コンピュータに場所データ１６２を提供する。コンピュータは、レーザトラッカ１６４にレーザトラッカ指令１７４を提供し、位置決めプラットフォーム１８０に位置決め指令１７６を提供する。レーザトラッカ１６４およびターゲット１８２は情報をやり取りし、この双方向通信は、レーザトラッカとターゲットとの間での反射されたレーザ信号を表わす。気象観測所１７２は、作業空間の温度および他の気象に関する読取値をコンピュータ１７０に提供して計算の調節を行ない、調整穴の穿孔の精度を高め得る。

この発明のシステムは、ソフトウェアがコンピュータ上で稼働してレーザトラッカと穿孔装置との相互作用を制御する状態で、携帯型工具およびこの発明のレーザ誘導式調整穴装置を使用して、調整穴を穿孔する方法を提供する。調整穴穿孔システムは、調整穴を穿孔するために高い精度を提供する。たとえば、穿孔は、０．００２インチの許容範囲内に入り得るが、この許容範囲は、必要とされる精密度に依存して大きくされるか、または小さくされてよい。巨大な土台を有さないことにより、この発明の携帯型穿孔装置には、大きな作業空間が必要とされない。このことは、穿孔の精度を高め得る、より小さな温度の変動を見込む。たとえば、より小さな作業空間は、作業空間内の温度の変動を減じる恒温室であり得る。また、レーザ誘導式調整穴穿孔装置の携帯性および適合の容易さは、穿孔システムを調達および建設して部品を製造するための準備期間を短縮する。この発明の調整穴を穿孔するためのシステムは、工作機械を用いることなく、機械の計測学と部品ベースの調整穴の穿孔とを統合する。この発明の調整穴を穿孔するためのシステムは、わずか２自由度のみにより、５軸において調整穴を穿孔する正確な方法を提供する。穿孔装置は、３自由度で部品上に据付けられ、位置決めプラットフォームは、さらなる２自由度を提供する。この発明の穿孔装置および当該穿孔装置の位置決めプラットフォームの配置は共に、穿孔装置が部品上に一旦据付けられると、調節可能なわずか２自由度により、５軸で調整穴を穿孔する機能を提供する。この発明の穿孔装置の配置および位置決めプラットフォームのアライメントが、対応するアライメントにより１自由度を失う場合は、環状ブシュを使用して、さらなる１自由度を提供することができる。環状ブシュは、ブシュ空隙内の一定の回転場所で或る一定の度数だけ傾けることができ、または、回転する態様で、もしくは角度を有する態様のいずれかにより、調節可能にされ得る。この発明のシステムはまた、同一部品に対して並列の穿孔動作、または複数の穿孔も可能にする。この発明のこれらの動作上の柔軟性の特徴により、建造中において、工場内でのフロースルーを減らす
ことができる。異なる穿孔動作が、異なる組の同様の穴を穿孔して、ドリルビットまたはブシュのサイズの変更を要する回数を減らすことにより、動作時間を短縮し得る。この発明のシステムにより、部品に調整穴を穿孔するのに必要とされるビルドアップおよび／またはセットアップが少なくなる。さらに、この発明のシステムは、さまざまな態様で使用されるための柔軟性を有し、この柔軟性は、たとえば、調整穴が穿孔されるヒンジ線に沿ってベクトルを投影することによって部品上にヒンジ線を穿孔する機能を含む。

図１２は、ドリルモータ２０４がドリルビット２０６に対してほぼ垂直なドリル構成を有する、この発明の一実施例の調整穴穿孔装置２００の概略図である。この概略図から認識できるように、ドリルモータ２０４は、ブシュ空隙と穴の位置との間のベクトルの方向と一直線上に取付けられるのではなく、位置決めプラットフォーム２１０上に水平に搭載される。直線の穿孔構成の代わりに９０度のドリルモータ２０４を使用することができ、穿孔装置からレーザトラッカへの基準座標系の変換を単純化し、穴の位置へのまたは穴の位置からのベクトルを採用する必要性を減じるか、またはなくす。この種の穿孔装置は、回転からの影響を受けにくいことが考えられる。この構成は、この発明のレーザ誘導式調整穴穿孔装置において実現され得る異なる設計の選択肢の、単に別の例である。これらの利点の各々は、調整穴を穿孔するためのサイクル時間を短縮し得る。

図１３は、この発明の一実施例のデュアル回転非同軸位置決め機器２２０の概略図である。デュアル回転非同軸位置決め機器は、位置決めプラットフォームの移動を制御するために使用されて、穴の生成に対して高い精密度を提供し、かつ、よりコンパクトな穿孔装置を可能にし得る。２つの非同軸部分２２２、２２４は、同一平面上で、一般には位置決めモータ２３２、２３４により回転して、ドリルブシュ２２８の厳密な位置決めを達成する。デュアル回転非同軸位置決めプラットフォームはまた、軌道穴を機械加工するためにも使用され得る。

この発明が属する当該技術の当業者は、上述の説明および関連の図面に提示された教示内容の利点を有するこの発明の多くの変更例および他の実施例を思い付くであろう。したがって、この発明が、開示された特定の実施例に限定されず、かつ、変更例および他の実施例が前掲の請求項の範囲内に含まれることが意図されることを理解されるべきである。この明細書では特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ記述的な意味でのみ使用されており、限定の目的では使用されていない。

この発明の一実施例の調整穴穿孔装置の斜視図である。 図１の１つの調整穴穿孔装置の分解斜視図である。 この発明の別の実施例の調整穴穿孔装置の斜視図である。 この発明のさらに別の実施例の調整穴穿孔装置の斜視図である。 図１および図２の１つの調整穴穿孔装置の真空カップを示す斜視図である。 この発明のさらなる実施例の調整穴穿孔装置の斜視図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔方法のフロー図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔装置を正確に位置決めするための画像表示装置の実施例の実体図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔装置を正確に位置決めするための画像表示装置の実施例の実体図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔装置を正確に位置決めするための画像表示装置の実施例の実体図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔装置を正確に位置決めするための画像表示装置の実施例の実体図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔装置を位置決めするための位置を決定するための２つの技術の概略図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔システムの実体図である。 この発明の一実施例の調整穴穿孔システムの概略図である。 モータがこの発明の一実施例のドリルビットに対してほぼ垂直なドリル構成を有する調整穴穿孔装置の概略図である。 この発明の一実施例のデュアル回転非同軸装置の概略図である。

Claims (21)

1. 部品を穿孔するためのレーザ誘導式調整穴穿孔装置であって、
   １つの平面上での移動を可能にする位置決めテーブルと、
   前記位置決めテーブルにおいて、ドリルブシュを受けるためのブシュ空隙と、
   調整穴を穿孔するドリルビットを受け入れる、前記ブシュ空隙内に位置する前記ドリルブシュと、
   前記位置決めテーブルに取付けられて、穿孔されるべき部品に前記位置決めテーブルを固定するための締付け具と、
   前記位置決めテーブルの前記ブシュ空隙に近接して位置付けされ、穿孔中当該テーブルに固定され、位置決めテーブルと共に移動可能なレーザターゲットとを備える、装置。
2. 前記位置決めテーブルは、手動のねじ調節式位置決めテーブルを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記位置決めテーブルは、自動のモータ駆動式位置決めテーブルを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記位置決めテーブルは、デュアル回転非同軸位置決めテーブルを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記締付け具は、少なくとも１つのねじクランプを含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記締付け装置は真空カップを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記真空カップは、位置決め用の低真空と穿孔用の高真空とを容易にする２段階の同軸真空カップを含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記ブシュ空隙の長さに対して或る角度で前記位置決めテーブルに搭載されたドリルモータをさらに備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記ブシュ空隙に相互作動可能に接続されたソフトウェアインターロック装置をさらに備え、当該ソフトウェアインターロック装置は、ドリルあるいはドリルブシュが前記ブシュ空隙に挿入されることを防ぐために、ピンを前記ブシュ空隙に貫通させる、請求項１に記載の装置。
10. 前記ブシュ空隙内に回転可能に固定されたドリルブシュと、
    前記ドリルブシュを通ってドリルビットを挿入するように適合されたドリルモータと、
    前記ドリルモータに相互作動可能に接続されたソフトウェアインターロック装置とをさらに備え、前記ソフトウェアインターロック装置は前記ドリルモータを使用不可にする、請求項１に記載の装置。
11. 前記レーザターゲットは、オープンエア型コーナーキューブ光学ターゲットを含む、請求項１に記載の装置。
12. 調整穴を穿孔する方法であって、
    レーザトラッカで穿孔されるべき部品を探査するステップと、
    前記部品の探査に基づき、レーザトラッカに対する部品の基準座標系を決定するステップと、
    調整穴の位置に近接して、穿孔されるべき部品に、ブシュ空隙と共にレーザ誘導式調整穴工具を取付けるステップと、
    レーザトラッカにより、レーザターゲットを探査するステップであって、当該レーザターゲットは、１つの平面上での移動を可能にする位置決めテーブルの前記ブシュ空隙に近接して位置付けされ、穿孔中当該テーブルに固定され、位置決めテーブルと共に移動可能であり、
    前記レーザターゲットの探査に基づき、レーザトラッカおよび部品に対するレーザ誘導式調整穴工具の基準座標系を決定するステップと、
    部品の基準座標系および工具の基準座標系に基づき、レーザ誘導式調整穴工具の前記ブシュ空隙内に回転可能に固定されたドリルブシュを調整穴の位置に近接して位置決めするステップと、
    ドリルブシュを通って延びるドリルビットにより調整穴を穿孔するステップとを含む、方法。
13. レーザターゲットを探査するステップと、レーザ誘導式調整穴の基準座標系を決定するステップとは、自動的に実行される、請求項１２に記載の方法。
14. ドリルブシュを穴の位置に近接して位置決めするステップは、手動で、半自動で、および自動で、の少なくとも２つにより実行される、請求項１２に記載の方法。
15. ドリルブシュを穴の位置に近接して位置決めするステップは、ドリルブシュの中心を、穴の位置の中心の法線上に位置決めするステップを含む、請求項１２に記載の方法。
16. ドリルブシュを穴の位置に近接して位置決めするステップは、ドリルブシュの中心からのベクトルが、穴の位置の部品の表面に直角な穴の位置の中心と交差するようにドリルブシュをアライメントするステップを含む、請求項１２に記載の方法。
17. 穴を穿孔するステップは、ドリルビットおよびミリング工具の１つを用いて実行される、請求項１２に記載の方法。
18. 調整穴を穿孔するためのシステムであって、
    レーザ誘導式調整穴穿孔装置を備え、前記レーザ誘導式調整穴穿孔装置は、
    １つの平面上での移動を可能にする位置決めテーブルと、
    前記位置決めテーブルにおいてドリルブシュを受けるためのブシュ空隙と、
    前記位置決めテーブルに取付けられて、穿孔されるべき部品に前記位置決めテーブルを固定するための締付け具と、
    前記位置決めテーブルの前記ブシュ空隙に近接して位置付けされ、穿孔中当該テーブルに固定され、位置決めテーブルと共に移動可能なレーザターゲットとを含み、
    前記システムはさらに、
    前記ブシュ空隙内に取外し可能にかつ回転可能に固定されたドリルブシュと、
    前記ドリルブシュを通って延びるドリルビットと、
    前記工具に取付けられて調整穴を穿孔するためのドリルモータと、
    前記レーザターゲットに光学的に接続されたレーザトラッカと、
    前記レーザトラッカに相互作動可能に接続されて、調整穴穿孔ソフトウェアプログラムに従って作動するプロセッサとを備える、システム。
19. 前記工具は、ドリルビットおよびミリング工具の１つを含む、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記ソフトウェアプログラムは、前記レーザトラッカに相互作動可能に接続される移動監視ルーチンを含む、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記ソフトウェアプログラムは、前記レーザ誘導式調整穴穿孔装置、ドリルブシュ、およびドリルモータの少なくとも１つに相互作動可能に接続されたソフトウェアインターロックルーチンを含む、請求項１８に記載のシステム。

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